动力电池材料体系及结构选择分析

动力电池材料体系及结构选择分析

材料体系选择分析

1、下表是理论上可以在锂离子电池中应用的正负及材料体系

综合考虑材料体系的安全、成本、能量密度、电**能、原材料的自然界资源储量等条件，目前具备产业化条件，最有可能成为新一代车载动力电池的材料主要分为以下几个体系，

1、 LiFePO4/Graphite

2、 LiMn2O4/Graphite

3、 LiNixCoyMn(1-x-y)O2/Graphite

4、 LiNixCoyAl(1-x-y)O2/Graphite

5、 LiMn2O4/Li4Ti5O12

几种常用的正极材料的特**以及优缺点分析

1、 NCM/NCA

Co：+3；Ni：+2；Mn：+4；⎫

Ni是材料容量的主要来源，+2——+4；⎫

Co在高电位时才能发生反应，+3——+4，起到稳定晶体结构的作用；⎫

Mn保持+4价不变，在Mn含量偏高时易出现价态变小的趋势，出现+3的Mn；⎫

NCA的容量要高于NCM，是目前容量最高的正极材料，其安全**能差是突出的问题；⎫解决层状晶体材料安全**能差的问题主要从以下几个方面入手

表面涂层，减少反应活**区域的直接接触(Al2O3、AlF3等)；⌝

陶瓷隔膜技术；⌝

活**低的负极材料(Li4Ti5O12)；⌝

正极材料的掺杂改**；⌝

2、LiMn2O4

成本低，储量丰富；⎫

能量密度偏低，高温**能差是其主要缺点；⎫

改善高温循环的方法

元素掺杂，掺入低价态元素提高锰价态（Al、Mg）；⌝

表面修饰，包覆氧化物，减少材料与⌝电解液的接触；

采用新型电解质盐，LiBOB；⌝

活**低的负极材料(Li4Ti5O12)；⌝

3、LiFePO4

成本低、储量丰富；⎫

循环**能优良、安全**能优良；⎫

材料稳定**差、合成过程质量控制困难；⎫

加工**能差工艺要求高；⎫

材料电子导电**差、低温**能差、能量密度偏低；⎫

改善电子传导**差的手段

元素掺杂与表面包覆(C材料)；⌝

纳米级导电材料、高效分散技术；⌝

箔材预处理技术；⌝

几种常见的外部包装结构及分析

目前，在传统锂离子电池基础上发展起来的锂离子动力电池呈现出结构多样化，缺乏统一的标准，而外部的结构对工艺布局有着决定**的影响，目前主流电池在外部封装结构上主要可分为以下几类：

1、圆柱型电池

2、方型硬壳电池

3、方型软包装电池

几种不同类型结构的优缺点分析

1、圆柱型电池代表厂家（江森自控、A123、Sanyo、Sony）

工艺成熟度高、生产效率高、过程控制严格，成品率及产品一致**都较其他结构电池高；⎫

壳体结构成熟，成本低；⎫

极片过长，卷绕方向上集流体电流密度分布不均匀，造成内部各部分反应程度不一致；⎫直径过大，电芯内部产生的热量很难得到快速释放，内部的热量累积，给电池的安全**能和循环**能带来不良影响；⎫

2、方型硬壳电池代表厂家（S**、GS、力神、ATL、Hitachi、NEC）

目前壳体的材质可分为塑料、不锈钢材质、铝金属材质等，内部电芯的结构可分为卷绕式和叠片式结构；⎫

壳体对电芯的保护作用要高于铝塑复合膜材质，可以通过减少单体电池的厚度保证内部热量的快速传导，电芯的安全**能较圆柱型电池有较大的改善；⎫

电芯成组简单，连接简单可靠；⎫

壳体在电芯总重中所占的比重较大，导致单体电池的能量密度较低，内部结构复杂，自动化工艺成熟度低，结构和工艺水平对电芯的**能影响较大，电芯的成品率以及一致**较低，生产效率低，电芯尺寸没有统一标准；⎫

3、方型软壳电池代表厂家(EnerDel、LGC、Hitachi、A123、NEC、万向、中信国安)

外部结构对电芯的影响小，电芯**能优良；⎫

封装材质质量小，电池的能量密度最高；⎫

大容量电池密封工艺难度增加、可靠**差；⎫

工艺成熟度高，适合自动化大批量生产；⎫

铝塑复合封装膜机械强度低，电池内部产气造成电池鼓胀，**能严重恶化；⎫

铝塑复合膜的寿命制约了电池的使用寿命；⎫

通过比较各种不同材料体系和结构的优缺点和适应特**，我建议产品的方向如下：

材料体系：NCM/石墨、无定形碳LiMn2O4/石墨、无定形碳

结构：方形软包装叠片结构

功率型单体容量：<10Ah 卖点：功率密度高适合HEV

工艺：电池容量偏低，尺寸较小，生产设备可以兼顾手机

以及移动电子设备电池的生产；

材料体系：LiFePO4/石墨 NCM/石墨

结构：方形铝壳叠片结构

能量型单体容量：20~60Ah 卖点：能量密度适合PHEV、EV、储能

工艺：电池容量适中，成组方便，可以建立一条高标准的

自动化组装线，适合做高端车辆企业的配套；

材料体系：LiFePO4/石墨LiMn2O4/Li4Ti5O12

结构：方形硬壳叠片结构

容量型单体容量100~200Ah 卖点：单体容量高适合大型EV和储能

工艺：半自动组装线，设备投入低，加强控制，提高成品率，降低成本，产品小批量出货；

表1 美国主流电池厂商产品情况

制造商材料体系外观及结构产品规格电芯尺寸应用领域

电压容量

美国系列

A123系统

（A123Ssystems） LiFePO4 3.2V 4.4Ah Ф32mm*113mm

3.2V 20Ah ______________

江森自控 NCA

3.6V 5Ah

33Ah

40Ah Ф34mm*175mm

Ф54mm*195mm

Ф54mm*222mm

EnerDel LiMn2O4/LiTiO2

2.5V 16Ah 5.8mm*183mm*253mm

LiMn2O4

3.7V 7Ah 5.8mm*111mm*200mm

NCM

3.6V 20Ah 5.8mm*192mm*248mm

Boston-Power LiMn2O4

3.7V

4.4Ah 18.5mm*37.1mm*64.8mm

表2 中国主流电池厂商产品情况

制造商材料体系外观及结构产品规格电芯尺寸应用领域

电压容量

中国系列

力神 NCM

3.6V 6.5Ah 28.5mm*70mm*112mm Coda

LiFePO4 3.2V 15Ah 28.5mm*70mm*120mm

比克 LiFePO4

3.2V 2.2Ah

3Ah Ф26mm*65mm